北京大型輪輻式鋼結(jié)構(gòu)飛輪結(jié)構(gòu)分析

北京大型輪輻式鋼結(jié)構(gòu)飛輪結(jié)構(gòu)分析

1北京憲法第5段采用最寬就是面圖1北京的電動(dòng)汽車位于北京朝陽(yáng)公園，高208米，直徑198米。最大乘客為1520人。這一周大約需要20分鐘。它是世界上最相似的建筑，也是完成后北京的象征性觀察之一（圖1）。2外輪緣桿件摩天輪結(jié)構(gòu)主要由輪緣、輪輻索、輪軸、輪轂、A形塔架以及拱形桁架組成。整個(gè)結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。輪緣分內(nèi)、外兩層,內(nèi)輪緣桿件為?120×30鋼管,外輪緣桿件為圓管與方鋼管組合截面?660×30+HW400×400(圖3),內(nèi)外輪緣之間為空間三角桁架,48個(gè)客艙通過(guò)支撐連接在外輪緣。內(nèi)輪與輪轂之間通過(guò)鋼索盤(pán)由48根?140鋼索交錯(cuò)連接(圖4),輪軸為?2250×300的鑄鋼件(圖5),整個(gè)摩天輪由A形支架支撐,另有2×4根?120穩(wěn)定索作為摩天輪的穩(wěn)定支撐。桁架拱為輪提供側(cè)向支撐,支承驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向系統(tǒng)(圖6、圖7)以及作為防暴風(fēng)固定裝置,構(gòu)件截面型號(hào)及材料如表1所示。3結(jié)構(gòu)分析3.1梁?jiǎn)卧霓D(zhuǎn)動(dòng)自由度本文結(jié)構(gòu)驗(yàn)算采用MIDAS/gen7.1.2,模型中索單元采用僅受拉的TRUSS單元,其余均為BEAM單元。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際連接方式,對(duì)部分兩端鉸接的梁?jiǎn)卧尫殴?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,所建立的三維有限元模型中,單元總數(shù)為2650,節(jié)點(diǎn)總數(shù)1184。鋼材彈性模量為2.06×1011N/m2,拉索彈性模量為1.9×1011N/m2,結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖8所示。3.2與阻尼器的重量分配(1)客艙僅考慮自重,轉(zhuǎn)化為線荷載沿其軸向均布施加;(2)輪緣節(jié)點(diǎn)與阻尼器的重量按節(jié)點(diǎn)荷載施加,驅(qū)動(dòng)設(shè)備按節(jié)點(diǎn)荷載施加于桁架拱;(3)索盤(pán)采用剛度很大的梁?jiǎn)卧M,其一端與輪轂剛接,另一端與索鉸接;(4)暴風(fēng)情況下桁架拱對(duì)輪的側(cè)向支撐采用彈性連接模擬,僅提供X向和Y向剛度。3.3負(fù)荷噪聲破壞和負(fù)荷組合3.3.1節(jié)點(diǎn)板與減震器重量摩天輪結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算,約7700t;節(jié)點(diǎn)板與減震器重量簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載,外輪96×1.5t=144t,內(nèi)輪48×1.25t=60t;客艙自重48×1.8t=86.4t。3.3.2活荷ll客艙乘客自重0.75kN/人,40人/客艙。3.3.4預(yù)測(cè)ps輪輻拉索3800kN,平衡拉索3000kN。3.3.5結(jié)構(gòu)風(fēng)壓的區(qū)間劃分北京地區(qū)100年一遇基本風(fēng)壓w0=0.5kN/m2,作用于摩天輪的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為wk=βzμsμzw0(1)wk=βzμsμzw0(1)將風(fēng)壓按結(jié)構(gòu)高度分為4個(gè)區(qū)間(區(qū)間劃分如圖9),每個(gè)區(qū)間按最高處計(jì)算得到的基本風(fēng)壓值施加于結(jié)構(gòu)。摩天輪正常工作極限風(fēng)速為v=15m/s,對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓為w0=0.14kN/m2,考慮到結(jié)構(gòu)的重要性和特殊性,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為w0=0.18kN/m2,用于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)結(jié)構(gòu)的位移驗(yàn)算,分別按0°,90°和45°風(fēng)向角計(jì)算。3.3.6建筑抗震分類及場(chǎng)地類別北京地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g,第一組,建筑抗震設(shè)防分類為乙類,場(chǎng)地類別為Ⅲ類。根據(jù)文獻(xiàn),結(jié)構(gòu)需驗(yàn)算X和Y向水平地震,水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.2,地震影響系數(shù)的特征周期Tg=0.45s,阻尼比為ξ=0.02。3.3.7溫度荷載tl(1)裹冰荷載(IL)。根據(jù)文獻(xiàn),qa=0.6bα2γ×10-3。(2)溫度荷載(TL)。根據(jù)文獻(xiàn),結(jié)構(gòu)升溫+30℃,降溫-30℃。3.4組件驗(yàn)算根據(jù)結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài),分別按照文獻(xiàn)驗(yàn)算構(gòu)件最大應(yīng)力比和結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。限于篇幅,僅列出部分主要結(jié)果。12結(jié)構(gòu)負(fù)載極限狀態(tài)的驗(yàn)證計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)計(jì)算得到的構(gòu)件應(yīng)力比見(jiàn)表2。2梁?jiǎn)卧S力包絡(luò)圖根據(jù)結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)計(jì)算得到的構(gòu)件安全系數(shù)見(jiàn)表2。所選荷載組合下的計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11以及表2所示。其中,圖10為輪輻索內(nèi)力包絡(luò)圖,圖11為梁?jiǎn)卧S力包絡(luò)圖,分析以上圖表可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)由表2可知,結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的應(yīng)力比在0.79以內(nèi),受力合理;(2)各構(gòu)件的安全系數(shù)均符合文獻(xiàn)規(guī)定,結(jié)構(gòu)的安全性滿足要求;(3)由圖10可知,雖然對(duì)輪輻索施加初始預(yù)應(yīng)力為3800kN,但荷載下其最大拉力達(dá)到7100kN(單元25),應(yīng)力為765.5N/mm2,仍小于極限應(yīng)力1670N/mm2,設(shè)計(jì)滿足要求。3.5x向風(fēng)荷載組合的結(jié)構(gòu)位移圖12為4種荷載組合下X向位移,由圖示數(shù)據(jù)可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)摩天輪頂部最大位移為288.5mm,Δu/H=0.288/198=1/688<1/75,符合文獻(xiàn)中水平位移的限值要求。(2)在有X向風(fēng)荷載參與組合時(shí),結(jié)構(gòu)最大位移都出現(xiàn)在摩天輪的頂端,該位移由兩部分組成:摩天輪本身受X向水平荷載發(fā)生相對(duì)于軸部的位移;輪軸本身在水平荷載作用下的位移。3.6自振特性分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及累計(jì)振型參與質(zhì)量,分別由以下二式計(jì)算:[K]{Φn}=ω2n[M]{Φn}(2)Mm=[∑φimMi]2∑φ2imMi(3)[Κ]{Φn}=ωn2[Μ]{Φn}(2)Μm=[∑φimΜi]2∑φim2Μi(3)式中,Mi為任意位置的質(zhì)量;Mm為振型的有效參與質(zhì)量;φim為任意i位置的第m階振型矢量;m為振型階次。表3給出了前40階自振周期,圖13為結(jié)構(gòu)前4階振型。由表3及圖13的計(jì)算結(jié)果,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)結(jié)構(gòu)前3階自振周期分別為3.45s,3.03s,2.82s,說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體剛度較弱,結(jié)構(gòu)較柔。(2)結(jié)構(gòu)頻譜密集、變化均勻,振型復(fù)雜。第1階振型為繞Z軸扭轉(zhuǎn),且兩側(cè)中部位置扭轉(zhuǎn)較大,結(jié)構(gòu)抗扭能力小,結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心偏心較大;第2階為X方向平動(dòng),為彎曲變形平動(dòng)模態(tài);第3階為扭轉(zhuǎn)振型,第4階為摩天輪平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)第1階振型X向、Y向及Z向質(zhì)量參與系數(shù)為零,這是由于結(jié)構(gòu)反對(duì)稱水平扭轉(zhuǎn)所致。(4)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)取前200階,X向累計(jì)振型參與質(zhì)量為99.26%,Y向?yàn)?3.096%,Z向?yàn)?1.82%,均超過(guò)90%,符合規(guī)范要求。3.7有限元計(jì)算結(jié)果本文對(duì)北京摩天輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算,并進(jìn)行了動(dòng)力特性分析,得出以下結(jié)論:(1)摩天輪內(nèi)、外輪緣的最大應(yīng)力比為0.79,安全系數(shù)分別為3.9和4.17;輪緣桁架的最大應(yīng)力比為0.74,最小安全系數(shù)為4.2;輪輻索最大應(yīng)力比為0.83,安全系數(shù)為2.98;穩(wěn)定索最大應(yīng)力比為0.91,安全系數(shù)為3.62;均符合文獻(xiàn)對(duì)許用安全系數(shù)的規(guī)定。(2)